鍋爐用耐候鋼和碳鋼的耐蝕性對(duì)比

孫占遠(yuǎn) 王文娜 李晨碩 常荷茜

【摘 要】用耐候鋼代替普通碳鋼作為鍋爐用材料，可以提高耐蝕性，延長(zhǎng)鍋爐的使用壽命。本文對(duì)比了耐候鋼和碳鋼在酸性、堿性、中性溶液介質(zhì)下的浸泡腐蝕速度差異。結(jié)果表明：隨著時(shí)間增長(zhǎng)，兩種材料的腐蝕速率總體為下降趨勢(shì)，即最開始腐蝕的最快，隨著腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)腐蝕速率降低。在三種介質(zhì)溶液中，耐候鋼的腐蝕腐蝕速率均遠(yuǎn)低于普通碳鋼。其中，在堿性介質(zhì)中，耐候鋼的腐蝕速率為普通碳鋼的39.9%;在酸性條件下，耐候鋼的腐蝕速率為普通碳鋼的50.6%。

【關(guān)鍵詞】浸泡腐蝕;耐蝕性;耐候鋼;碳鋼

一、序言

隨著我國(guó)近年來對(duì)環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性的要求逐漸提高，對(duì)高性能的鍋爐需求量越來越大。鍋爐已經(jīng)成為了人民生產(chǎn)和生活中廣泛使用的特征設(shè)備。但是由于鍋爐本身所處的工作環(huán)境惡劣：處在高溫的工作環(huán)境、爐水的水質(zhì)波動(dòng)、燃煤中硫元素的含量等一系列因素都導(dǎo)致了鍋爐中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

給水的酸堿性對(duì)鍋爐的腐蝕影響很大[1];這種腐蝕分為兩種情況：一種是堿腐蝕，另一種是酸腐蝕。堿腐蝕是指鍋爐受熱面表面有沉積物時(shí)，由于沉積物的傳熱性能比鍋爐差很多，沉積物會(huì)使它下邊的金屬壁溫度升高，使得沉積物與金屬壁之間的爐水濃縮。此時(shí)又因?yàn)闋t水pH過大會(huì)將金屬的氧化保護(hù)膜溶解，電化學(xué)腐蝕加劇。酸腐蝕是指爐水中含有氯化鎂（MgCl2）和（CaCl2）時(shí)，在沉積物下的氯化鎂和氯化鈣與爐水發(fā)生反應(yīng)生成氫氧化鎂和氫氧化鈣以及鹽酸，使得pH值下降，對(duì)鋼材形成酸腐蝕，在實(shí)際運(yùn)行過程中，很多供暖企業(yè)為了降低運(yùn)行費(fèi)用，采取鍋爐低負(fù)荷輸出、低溫供水的運(yùn)行方式。較低的供回水溫度使得鍋爐的受熱面產(chǎn)生大量的冷凝水，冷凝水引起金屬表面的氧腐蝕，碳酸蒸汽凝結(jié)液與金屬接觸會(huì)發(fā)生酸腐蝕[2]，還有在增加除銹劑時(shí)，也會(huì)造成酸性溶劑對(duì)鍋爐材料的酸性腐蝕。碳鋼在鍋爐應(yīng)用中耐腐蝕性較差，使用時(shí)間長(zhǎng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)問題，影響生產(chǎn)。一些公司選用了耐候鋼來代替普通碳鋼作為鍋爐用鋼。

耐候鋼屬于低碳鋼和合金鋼之間的一種低合金鋼，是在碳鋼的基礎(chǔ)上添加了少量的銅、鎳等耐腐蝕性元素而形成的，所以具有耐大氣腐蝕的性能。它具有優(yōu)質(zhì)鋼的延性、抗疲勞、成型等優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)比了在不同酸堿介質(zhì)中，耐候鋼和碳鋼的耐蝕性差異，為鍋爐選材提供參考數(shù)據(jù)。

二、實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)所選用的對(duì)比材料為碳鋼和耐候鋼，耐候鋼的牌號(hào)為S355J2W，碳鋼選用的牌號(hào)為Q245R。所用到的工具為電子天平，溶液有Na2CO3溶液，過濾后的純凈水以及除垢劑。

通過設(shè)置兩種材料的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將每種材料做三組對(duì)比實(shí)驗(yàn)（腐蝕介質(zhì)分別為酸性溶液，中性溶液，堿性溶液），整體分為六組。實(shí)驗(yàn)選取pH值為10-12的Na2CO3的堿性溶液用來模擬鍋爐日常工作時(shí)的環(huán)境;選取過濾后的純凈水用來做空白對(duì)照;選取添加了以檸檬酸為主要成分的除垢劑用來模擬鍋爐除垢酸洗時(shí)的環(huán)境。

首先鍋爐工作時(shí)的pH值要求為10-12，選取了Na2CO3溶液作為模擬環(huán)境。添加Na2CO3的作用是：（1）能夠有效的消除鈣鎂離子，降低水質(zhì)的硬度。（2）在爐內(nèi)壓力作用下部分Na2CO3可以水解成NaOH，來保持鍋水的堿度。過濾后的純凈水里邊不含有雜質(zhì)，用來模擬理想環(huán)境。而酸性條件的選取是由于鍋爐在使用一段時(shí)間后，內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)不同程度的水垢，但是根據(jù)目前的研究狀況來看，最好的水處理方法“三鈉一膠”法防垢率可以達(dá)到80%左右，所以爐內(nèi)的除垢仍然是必要的，而除垢時(shí)常用的是酸洗。除垢劑呈酸性，與鍋爐基體易發(fā)生反應(yīng)。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，盡管酸洗時(shí)間只有幾個(gè)小時(shí)，但是酸洗后仍會(huì)在鍋爐基體上找到腐蝕的小坑。所以酸洗過程中的腐蝕也應(yīng)該提起重視。

本實(shí)驗(yàn)采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)法，1-3組為耐候鋼，4-6組為碳鋼，水浴溫度是70℃。分別測(cè)量這兩種鋼材在72，168，288小時(shí)后的腐蝕程度。將浸泡達(dá)到時(shí)間的工件取出后應(yīng)先將試樣吹干，打磨去所有的表面銹蝕產(chǎn)物，再進(jìn)行稱重，得到腐蝕后的質(zhì)量。電子秤可以精確到0.0001g。腐蝕速率的計(jì)算公式（1）如下：

X：腐蝕速率（mm/a）

ω1：試驗(yàn)前質(zhì)量（g）

ω2：試驗(yàn)后質(zhì)量（g）

87600：計(jì)算常數(shù)

A：試樣表面積（cm2）

T：試驗(yàn)時(shí)間（h）

D：試樣材質(zhì)密度

其中，耐候鋼的密度為7.85g/cm3，碳鋼密度為7.81g/cm3。腐蝕速率的單位含義為毫米每年（mm/a）。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將各組試樣分別經(jīng)過72小時(shí)、168小時(shí)、288小時(shí)浸泡后取出，吹干，打磨去所有的表面銹蝕產(chǎn)物，稱量實(shí)驗(yàn)后的質(zhì)量，再根據(jù)公式計(jì)算出各組的腐蝕速率。

72小時(shí)組：在添加了除垢劑的兩組中，試樣表面有黑色的片狀的腐蝕產(chǎn)物，在用水沖洗時(shí)該產(chǎn)物十分容易洗凈。而另外四組則是在試樣表面有黃色腐蝕物產(chǎn)生。

168小時(shí)組：自來水一組水質(zhì)混濁，銹蝕產(chǎn)物散布在水質(zhì)中，浸泡試件上銹蝕產(chǎn)物附著不多。Na2CO3堿性溶液一組，整體水質(zhì)較為清澈，銹蝕產(chǎn)物附著在試樣上，成片狀;銹蝕產(chǎn)物顏色與自來水浸泡組相比較淺。而加入除垢劑的一組，水質(zhì)顏色發(fā)黑，試樣上的銹蝕產(chǎn)物為黑褐色，腐蝕產(chǎn)物附著厚度最厚（從腐蝕速率上也可得到印證）。但是除垢劑的加入可以使得銹蝕產(chǎn)物、水垢等附著強(qiáng)度減小。在稱重前的打磨過程層中可以發(fā)現(xiàn)，銹蝕產(chǎn)物雖然厚度大，但是水一沖洗就會(huì)脫落。脫落后的試樣表面，十分光潔。自來水一組和Na2CO3堿性溶液一組的腐蝕產(chǎn)物的附著強(qiáng)度則強(qiáng)一些。

經(jīng)過計(jì)算可以得出72小時(shí)浸泡實(shí)驗(yàn)的腐蝕速率如表2所示：

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，耐候鋼在堿性條件下腐蝕速率接近于低碳鋼的42.3%，但在中性條件下的腐蝕速率接近低碳鋼的16.0%，酸性條件下的腐蝕速率接近低碳鋼31.8%。鍋爐的主要工作條件是堿性環(huán)境（pH10-12），由此可以得出，在短時(shí)間內(nèi)耐候鋼比低碳鋼具有更優(yōu)的耐腐蝕性能。

168小時(shí)浸泡實(shí)驗(yàn)中樣品的腐蝕速率如表3所示：

分別對(duì)比相同環(huán)境下，耐候鋼和低碳鋼的腐蝕速率可看出，在堿性條件下，經(jīng)過168小時(shí)浸泡后，耐候鋼腐蝕速率接近于低碳鋼腐蝕速率的40.9%，在中性條件下，耐候鋼的腐蝕速率僅為低碳鋼的24.1%，在酸性條件下，耐候鋼的腐蝕低于低碳鋼，大概為低碳鋼腐蝕速率的74.7%。

288小時(shí)浸泡實(shí)驗(yàn)中樣品的腐蝕速率如表4所示：

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，在堿性條件下，耐候鋼的腐蝕速率接近于低碳鋼的36.5%，在中性條件下，耐候鋼的腐蝕速率僅為低碳鋼的37.5%，在酸性條件下，耐候鋼的腐蝕低于低碳鋼，大概為低碳鋼腐蝕速率的45.4%。有較好的的耐蝕性。

綜合以上三種情況，取三次實(shí)驗(yàn)各種環(huán)境下的平均值可以得到，在堿性條件下，耐候鋼的腐蝕速率接近于低碳鋼的39.9%，在中性條件下，耐候鋼的腐蝕速率僅為低碳鋼的25.9%，在酸性條件下，耐候鋼的腐蝕低于低碳鋼，大概為低碳鋼腐蝕速率的50.6%。有較好的的耐蝕性。

四、結(jié)論

綜合浸泡72小時(shí)、168小時(shí)、288小時(shí)三個(gè)時(shí)間測(cè)得的數(shù)據(jù)?？梢园l(fā)現(xiàn)在堿性條件下耐候鋼的最大腐蝕速率為0.1465mm/a，低碳鋼的最大腐蝕速率為0.3463mm/a;中性條件下，耐候鋼的最大腐蝕速率為0.2966mm/a，低碳鋼的最大腐蝕速率為1.8499mm/a;酸性條件下，耐候鋼的最大腐蝕速率為2.2707mm/a，低碳鋼的最大腐蝕速率為5.4069 mm/a。在三種水質(zhì)中堿性水質(zhì)的工作情況下水垢附著的厚度最小、測(cè)得的腐蝕速率最慢。堿性條件下，耐候鋼的腐蝕速率接近于低碳鋼的39.9%，在中性條件下，耐候鋼的腐蝕速率僅為低碳鋼的25.9%，在酸性條件下，耐候鋼的腐蝕低于低碳鋼，大概為低碳鋼腐蝕速率的50.6%。

因?yàn)殄仩t的主要工作環(huán)境是pH10-12之間，屬于堿性環(huán)境，耐候鋼在堿性環(huán)境下腐蝕速率很低，符合鍋爐用鋼的要求。又因?yàn)樽詠硭泻休^多的鈣、鎂離子，容易形成水垢，需要使用酸性的除垢劑，耐候鋼在酸性條件下的耐蝕性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于低碳鋼。由此可以得出，用耐候鋼取代低碳鋼作為鍋爐材料是可行的。

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